Elektronik II
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Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft E l e k t r o n i k II Dr.-Ing. Arno Soennecken EEX European Energy Exchange AG Neumarkt 9-19 04109 Leipzig Mob.: Fax: Email: (+49)173/361 73 70 (+49)341/2156-109 [email protected] Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ im SS 2003 Elektronik II Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ 7. Stromrichter 7.1 Einführung Einrichtungen zum Umformen oder Steuern elektrischer Energie unter Verwendung von Stromrichterventilen (z.B. Thyristoren, Gleichrichterdioden) Verschiedene Möglichkeiten zum Umformen elektrischer Energie (s.Bild 1.1: Kreise ≡ verschiedenartige Stromsysteme; Pfeile ≡ Richtung des Energieflusses): Gleichrichter Wechselrichter Umrichter (Wechselstromumrichter, Gleichstromumrichter) Folie 2 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Beispiel in Bild 1.5: Stromrichter arbeitet im normalen Betrieb als Wechselrichter, da er Gleichstromenergie in Drehstromenergie umformt. Bei Umkehr der Energierichtung speist der Stromrichter als Gleichrichter Leistung in das Gliechstromnetz ein. (Umkehr der Energierichtung: z.B. wenn Maschinenfrequenz schnell zu tieferen Werten verstellt wird übersynchroner Lauf der angeschlossenen Maschinen) Wechselstromrichter (Umrichter) ≡ Reihenschaltung von Gleichrichter und Wechselrichter (Teilstromrichter müssen durch Energiespeicher entkoppelt werden (z.B. Reduzierung des Einflußes von Teilstromrichter I auf das Verhalten der Drehstrommaschine (derartige Stromrichter nennt man auch Zwischenkreis-Umrichter) Folie 3 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 4 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Unterscheidung der Betriebsarten: Motorbetrieb: Teilstromumrichter I → Gleichrichter und Teilstromumrichter II → Wechselrichter Generatorbetrieb (z.B. beim Abbremsen): ... kehren die beiden Teilstromrichter ihre Funktion um (Ergänzung zu Bild 1.6: Änderung der Maschinenspannung über Teilstromrichter I; Änderung der Maschinenfrequenz über Teilstromrichter II) Zusätzliche Einteilung der Stromrichter nach der Herkunft der Kommutierungsspannung (Führung des Stromrichters) sowie nach der Herkunft der Taktfrequenz (Taktgebung des Stromrichters) Führung des Stromrichters: Fremdgeführte Stromrichter: Netzgeführte Stromrichter (Kommutierungsspannung wird durch das speisende Wechselspannungsnetz zur Verfügung gestellt) Folie 5 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Lastgeführte Stromrichter (Dieser erhält die Kommutierungsspannung vom Verbraucher) Selbstgeführte Stromrichter (z.B. Teilstromrichter II in Bild 1.6) Taktgebung des Stromrichters (die Taktfrequenz ist die Frequenz, mit der ein Stromrichterzweig periodisch in den leitenden Zustand versetzt wird) Fremdgetaktete Stromrichter: Netzgetaktete Stromrichter (Wechselspannungsnetz bestimmt die Taktfrequenz) Lastgetaktete Stromrichter (Wechselspannung an Verbraucher bestimmt die Taktfrequenz) Eigengetaktete Stromrichter (... benötigen keine fremde Wechselspannungsquelle als Taktgeber) 7.2 netzgeführte Stromrichter (dreipulsige Stromrichter) Gleich- und Wechselrichterbetrieb (s.Schaltung in Bild 3.19) Folie 6 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 7 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Gleich- und Wechselrichterbetrieb (s.Schaltung in Bild 3.19) Ausgangsspannung des Stromrichters Udiα kann entsprechend der Schaltung stufenlos in ihrer Höhe variiert werden. (Steuersatz erzeugt netzsynchrone Zündimpulse, deren zeitliche Lage - vom natürlichen Zündzeitpunkt aus verstellt werden kann) Lage des natürlichen Zündzeitpunktes ? Steuerwinkel α? Aufgrund Thyristoreigenschaften läßt sich die jeweilige Phasenspannung um α verzögert einschalten Wann kann der neu gezündete Thyristor den Strom übernehmen? (z.B. T2: → US2 > US1 ! Möglicher Bereich der Zündverzögerung? (s. Bild 3.21) Folie 8 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Zeitlicher Verlauf der ungeglätteten Gleichspannung Udiα bei stetiger Vergrößerung des Steuerwinkels α (s. Bild 3.22) [Voraussetzung: Ideale Glättung des Gleichstroms (keine ohmsche Last)] Bei α = 90º: Mittelwert der Gleichspannung null ! Mit Verkleinerung von α → stetige Erhöhung der Gleichspannung (z.B. für Hochfahren einer Gleichstrommaschine als Motor) Folie 9 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Berechnung des Gleichspannungsmittelswertes Udiα: Udiα = 3 2π +π/3+α · ⌠ ⌡ 2 US cos x dx -π/3+α Nach Lösen des Integrals erhält man π 2 US sin 3 Udiα = ·cos α π 3 Udiα = Udi ·cos α Udiα US1 US3 -π 3 π 3 US2 ... gilt nur bei vorausgesetzter idealer Glättung: Gleichstrom fließt auch dann weiter, wenn die ungeglättete Gleichspannung negative Augenblickswerte aufweist) Möglicher Bereich der Zündverzögerung: α : 180º Bei α > 90º ergibt sich negative Gleichspannung (Strom kann nicht negativ werden) → negative Gleichstromleistung Pdi Folie 10 (SS 2003) x Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Bei derartigem Betrieb (Verbraucher-Zählpfeilsystem): Energielieferung aus dem Gleichstromnetz in das Drehstromnetz Stromrichter arbeitet bei α > 90º im Wechselrichterbetrieb Vorgänge beim Wechselrichterbetrieb (s. Bild 3.24 und 3.25) Gegenüber vorher wirkt Gleichstrommaschine als Generator mit umgekehrter Polarität. Bei α > 90º ist die Spannung Folie 11 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ des Stromrichters negativ (s.Ersatzschaltbild des Stromrichters (Bild 3.25): Reihenschaltung aus veränderlicher Spannungsquelle und Diode) Gleichrichterbetrieb: Reihenschaltung der beiden Spannungsquellen (Stromrichter und Generator) → hoher Stromfluß (Begrenzung durch Innenwiderstände des Stromrichters und des Generators) Wechselrichterbetrieb (Steuerwinkel α > 90º): Umkehrung der Spannung vom Stromrichter → Spannungsquellen (Bild 3.25) sind dann gegeneinander geschaltet: Folie 12 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Was passiert, wenn beide Spannungen bei einem bestimmten Steuerwinkel gleich groß sind? Bei entsprechender Ansteuerung des Stromrichters, so daß Spannung von Stromrichter unterhalb der Generatorspannung liegt, fließt ein definierter Strom (s. Funktion des Steuersatzes, Bild 3.26) Über Wechselrichter wird Gleichstromenergie in Drehstromenergie umgeformt Verdeutlichung des Sachverhalts erneut im Bild 3.27: α = 0º / Gleichrichter: Phasenverschiebung zw. Grundschwingung des sekundären Wicklungsstromes und Phasenspannung null; cos ϕ = 1 → bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie ideale Widerstandslast α = 180º / Wechselrichter: ... → bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie Synchrongenerator → Einspeisung von reinem Wirkstrom in das Drehstromnetz Folie 13 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 14 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 15 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 16 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ α < 180º / Wechselrichter: ... → bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie untererregter Synchrongenerator (Einspeisung von reinem Wirkstrom in das Drehstromnetz & Entnahme von Magnetisierungsstrom) α = 90º: ... → cos ϕ = 0 → bzgl. Grundschwingung verhält sich Stromrichter wie ideale Drosselspule im Drehstromnetz Bild 3.29: Verlauf der Gleichspannung bei zeitlicher Änderung des Steuerwinkels α zw. 90º und 150º (Bild 3.30: Verhalten des Stromrichters bei plötzlichem Übergang von Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb und umgekehrt) In der Praxis wird theoretisch möglicher Steuerwinkel α = 180º nicht erreicht (s. Spannung an einem Thyristor bei α = 150º, z.B. T1) Nach der Stromführung ist Spannung am Thyristor für Dauer entsprechend Löschwinkel γ negativ. In dieser Schonzeit tc muß Thyristor seine Sperrfähigkeit für positive Spannungen wiedererlangen (Schonzeit tc > sog. Freiwerdezeit tq vom Thyristor [100...300 µs]) Folie 17 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 18 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Löschwinkel γ = 0º: keine Sperrung des Thyristors möglich! (keine Kommutierung des Stromes → “Kippen“ des Wechselrichters In der Praxis meistens αmax = 150º ← Gründe: Freiwerdezeit des Thyristors & endliche Kommutierungsdauer; αmax ≡ “Trittgrenze“ des Wechselrichters Folie 19 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 20 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 21 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ 7.3 Einsatzbeispiele von Stromrichtern (Umrichter) Grundsätzliche Struktur von Umrichtern (Bild 5.8): Reihen bzw. Antiparallelschaltung zweier Teilstromrichter * * Zusätzlich können sich Teilstromrichter in ihrer Betriebsart, usw. unterscheiden. Folie 22 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Reihenschaltung: Anwesenheit eines oder mehrerer Energiespeicher → Entkoppelung des maschinenseitigen Stromrichterbetriebs von der Netzfrequenz; sog. Zwischenkreisumrichter: maximale Frequenz: mehrere hundert Hertz ! Antiparallele Schaltung: Kopplung von Primär- und Sekundärnetz: Maschinenspannung wird direkt aus Ausschnitten der Netzspannung gebildet; sog. Direktumrichter: maximale Maschinenfrequenz von Netzfrequenz abhängig Direktumrichter: Bild 5.9: Verhältnisse bei gemischt-ohm´sch-induktiver Last Folie 23 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 24 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Zunächst Stromrichter I in Gleichrichterbetrieb: Laststrom baut sich auf (Verhältnis R/L); bei Umsteuerung auf Wechselrichterbetrieb: Abbau des Stroms → null; Erfassung des Nulldurchgangs des Stroms → Einschaltung Stromrichter II; Stromrichter II übernimmt negative Halbwelle vom Strom Abhängigkeit der erreichbaren Ausgangsfrequenz des Umrichters (bei unendl. hoher Pulszahl des Stromrichters: theoretisch Netzfrequenz; mit sechspulsigem Stromrichter max. ca. halbe Netzfrequenz) Bild 5.11: Schaltung, Steuerung und Regelung eines Direktumrichters; antiparallele Teilstromrichter in Brückenschaltung (Drehstrom); durch Vorgabe eines sinusförmigen Stromsollwertes i* erzwingen Stromrichter inkl. Beschaltung sinusförmigen Stromistwert Folie 25 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 26 (SS 2003) Elektronik II Vorlesung „Drehstrom-Mittelpunktsschaltung mit Thyristoren“ Folie 27 (SS 2003)
